中国计量院为美国提供溯源服务

 日前,由中国计量科学研究院(以下简称中国计量院)研制的110GHz~170GHz波段毫米波功率基准正式通过了美国国家标准与技术研究院(NIST)专家验收。这套由我国自主研发和制造的装置,将作为美国统一该波段功率量值的最高依据,为美国无线通信、电子、仪器制造等领域的用户提供量值溯源服务。
  毫米波是频率在30GHz~300GHz范围内的电磁波,被广泛应用于无线通信、雷达、遥感、射电天文学和临床医学等领域。在毫米波技术产品研发、应用、维护等全寿命周期内,功率测量都是不可替代的技术手段,功率测量准确与否在许多领域都至关重要。
  2016年年初,美国某知名电子测试和测试仪器公司找到NIST,希望对其最新研制的功率传感器提供功率校准,以提升该公司新研发的毫米波及太赫兹功率计、信号发生器、网络分析仪等产品技术指标的可靠性。然而,美国方面当时并不具备110GHz以上波段毫米波功率的校准与测量能力。
  2016年7月,中国计量院信电所微波室主任崔孝海在参加国际精密电磁测量大会(CPEM)期间,就中国计量院最新自主研制的毫米波功率基准相关情况做了报告。“美国同行立刻与我们进行了接洽,详细了解了我们的技术思路和实施方案。”崔孝海说,“我们的装置突破了110GHz以上功率测量的技术瓶颈,工作频带宽、响应曲线平坦、热电转换速度快、测量准确度高,引起了同行的强烈反响。”去年9月起,NIST相关实验室对各国建立的标准装置进行了广泛调研。经过反复比较和实地考察,NIST最终决定购买中国计量院研制的WR-6功率基准和配套装置。应该说,中国计量院在这一领域再次获得国际认可,与科研人员12年来坚持不懈地瞄准前沿、攻克难题分不开。
  在计量领域,微波与毫米波功率是国际计量局(BIPM)定义的关键参数,是无线电计量中最基本的参数。功率参数也是天线、场强、散射等其他关键参数量值溯源的源头。长期以来,由于国内核心技术的缺乏和发达国家的技术封锁及设备禁运,我国国家微波与毫米波功率基准多个重要频段都存在空白。
  为此,中国计量院经过12年的不断钻研和优化改进,从无到有,从弱到强,分多个波段建立了我国微波与毫米波功率基准装置,频率覆盖10MHz到170GHz,基本建立起完备的国家微波与毫米波功率计量基准体系,测量不确定度0.20%~3.5%(k=2),达到国际领先水平。在参加BIPM组织的国际比对中,中国计量院研制的功率基准多次在美、德、英等发达国家计量院同类装置中脱颖而出,受到了国际同行专家的好评。目前,中国计量院又有3项校准与测量能力(CMC)进入了BIPM的关键比对数据库(KCDB),成为了国际互认的国家校准与测量能力。
  近年来,随着毫米波系统需求的快速增长,毫米波技术不断向着微波的高频带延展,这给毫米波参数测量带来了新的挑战。
  崔孝海告诉记者:“在110GHz以上,一般的商业功率传感器均达不到功率标准器的指标。因此,要建立WR-6频段的毫米波功率,必须自主研制功率传感器,解决其宽带高匹配、快速热电转换和与直流功率之间清晰的溯源关系。”
  因此,从2014年开始,崔孝海带领课题组,在国家科技支撑计划课题“无线通信功率计量标准与溯源技术研究”支撑下,开展了对国家微波与毫米波功率基准装置性能提升和全面优化研究。经过3年努力,课题组成功攻克了功率标准器、微量热计、标准器标定等方面的技术瓶颈,解决了宽带高匹配、快速热电转换、准确量热和相关量值向直流功率溯源的技术难题,建立起6套国家微波与毫米波功率基准装置,频率覆盖18GHz~170GHz,进一步完善了我国国家微波与毫米波功率计量基准体系。
  其中,课题组研制的110GHz~170GHz功率基准装置为国际首创,且具有完全自主知识产权。近日,专为NIST研制的功率基准复制品以及配套传感器、功率计等已交付NIST实验室使用。此外,课题组还在新加坡国家计量院、香港地区校准实验室的国际采购竞标中胜出,将分别为两家机构建立N型功率标准。
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